Định hướng nguồn tín hiệu bằng phương pháp đo pha với đường cơ sở dài ứng dụng trong lĩnh vực trinh sát điện tử

Bài viết đề xuất phương pháp xác định hướng đến của nguồn tín hiệu vô tuyến có thể ứng dụng cho các thiết bị trinh sát điện tử. Thuật toán đề xuất sử dụng biện pháp xoay, chuẩn hóa, làm tròn giá trị đo độ lệch pha giữa các anten để tìm giá trị dịch pha đúng, và từ đó xác định được góc đến đơn trị của nguồn phát xạ tín hiệu vô tuyến

Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) Định Hướng Nguồn Tín Hiệu Bằng Phương Pháp Đo Pha Với Đường Cơ Sở Dài Ứng Dụng Trong Lĩnh Vực Trinh Sát Điện Tử Đoàn Văn Sáng, Nguyễn Như Ý Trần Công Tráng Khoa Thông tin Ra đa, Học Viện Hải quân Email: doansang.g1@gmail.com, trancongtrang@gmail.com, boyfantis@gmail.com Abstract— Bài báo đề xuất phương pháp xác định hướng đến nguồn tín hiệu vơ tuyến ứng dụng cho thiết bị trinh sát điện tử Thuật toán đề xuất sử dụng biện pháp xoay, chuẩn hóa, làm trịn giá trị đo độ lệch pha anten để tìm giá trị dịch pha đúng, từ xác định góc đến đơn trị nguồn phát xạ tín hiệu vơ tuyến Mơ hình thuật tốn đề xuất đánh giá mô so sánh với hai mô hình khác Kết mơ cho thấy, thuật tốn đề xuất đạt độ xác ước lượng góc đến với sai số quân phương nhỏ 0.1o SNR (Signal to Noise Ratio) lớn dB hiệu vượt trội hai phương pháp khác (SODA: Second Order Difference Array CI: Correlative Interferometer) Có thể thấy rằng, thuật tốn đề xuất có tiềm ứng dụng tốt lĩnh vực trinh sát giám sát nguồn phát xạ vơ tuyến nhiều nguồn tín hiệu đến có nhược điểm thuật tốn phức tạp, phải biết trước số lượng nguồn tới phải xử lý dạng chuỗi liệu Như biết, cần đo độ lệch pha tín hiệu thu hai chấn tử anten đặt cách đoạn d ≤ /2 ( bước sóng tín hiệu) xác định góc đơn trị phạm vi từ -90o đến 90o so với góc tham chiếu Giá trị góc đến tín hiệu xác định theo công thức sau:  (1)  = arcsin( ), 2 d đó,  độ lệch pha tín hiệu thu hai chấn tử anten Từ phương trình (1) dễ dàng xác định sai số góc  theo cơng thức: Keywords- Xác định góc đến, tín hiệu vơ tuyến, trinh sát điện tử, đo độ lệch pha I   =   2 d cos  =  SNR 2 d cos  (2) Công thức (2) cho thấy sai số góc  phụ thuộc vào tỉ số tín / tạp (SNR: Signal to Noise Ratio), hướng đến  tín hiệu tỉ số /d Giá trị SNR phụ thuộc vào chất lượng thiết bị phần cứng, công nghệ sản xuất môi trường hoạt động, yếu tố độc lập Hướng đến  tham số độc lập can thiệp Như vậy, cải thiện độ xác đo góc việc gia tăng tỉ số /d Giả định rằng, thiết bị trinh sát thiết kế cho dải tần định có bước sóng , lúc để cải thiện độ xác đo góc đến  cần phải tăng khoảng cách hai chấn tử anten Nhưng điều lại làm nảy sinh vấn đề đa trị d > /2 Thật vậy, theo công thức (2) tăng khoảng cách phẩn tử anten lên N lần độ xác đo góc tăng N lần Tuy nhiên, quan sát Hình thấy, d = 5/2 giá trị đo lệch pha  xác định giá trị  giới hạn từ -90o đến +90o, độ lệch pha  thực tế nằm giới hạn từ - đến + Để khắc phục tượng đa trị vừa nêu mà đảm bảo xác định góc đến tín hiệu với độ xác cao cần phải thiết kế thêm chấn tử anten sử dụng thuật toán phù hợp Vì vậy, GIỚI THIỆU Trinh sát điện tử phận tác chiến điện tử đại Trong đó, ước lượng góc tới nguồn phát tín hiệu khâu quan trọng tồn chuỗi thơng tin cần trinh sát Biết thơng tin góc tới tín hiệu sở để xác định vị trí nguồn phát Hiện nay, có nhiều nghiên cứu giải pháp, thuật toán tối ưu nhằm nâng cao hiệu quả, độ xác ước lượng góc tới rađa thụ động, thiết bị trinh sát điện tử đồng thời tiết kiệm chi phí sản xuất Để đạt mục đích cần phải cấu hình hệ thống anten cách hợp lý, đưa vào xử lý thuật toán tối ưu Các nghiên cứu tiêu biểu ước lượng góc tới nguồn phát tín hiệu sử dụng giải pháp so sánh pha kể đến như: giải pháp SODA (Second Order Difference Array) [1]; giải pháp cấu hình anten theo hình [2]; số nghiên cứu khác Ngồi ra, cịn có phương pháp có khả phát ước lượng góc tới nhiều nguồn tín hiệu có độ xác cao Những phương pháp kể đến như: Spectral MUSIC [3], Root-MUSIC [4], ESPIRIT [5], hay phương pháp cải tiến Spatial smoothing MUSIC [6], Temporal smoothing MUSIC [7], Phần lớn phương pháp ước lượng ISBN 978-604-80-5958-3  Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) đó, n(t) nhiễu tạp trắng theo phân bố Gauss, a() vector hướng phụ thuộc vào bước sóng tín hiệu  góc  Độ lệch pha tín hiệu từ anten đo so sánh pha Theo đó, độ lệch pha tín hiệu tạo cặp anten A2-A1, A3-A1 xác định sau: 2 d1 sin  (4) 1 = mod ( , 2 ) báo nhóm tác giả đề xuất phương pháp xác định hướng đến tín hiệu dựa liệu đo pha đường sở dài sử dụng mặt phẳng pha tham chiếu nhằm nâng cao độ xác đo góc loại bỏ yếu tố đa trị  2 = mod ( 2 d sin   , 2 ) (5) đây, mod(∙) phép tính lấy phần dư Tuy nhiên, độ dịch pha thực tế phải là: 1 =  = Những nội dung báo tổ chức sau: phần II miêu tả phương pháp đề xuất Trong phần III, nhóm tác giả thực mơ đánh giá thuật tốn đề xuất so sánh với hai phương pháp khác (SODA CI: Correlative Interferometer) Cuối cùng, kết luận báo trình bày phần IV = 1 + n1 2 (6) 2 d sin   = 2 + n2 2 (7) đó, n1 n2 số nguyên, gọi hệ số đơn trị Nếu sử dụng trực tiếp giá trị đo lệch pha 1 2 biểu thức (4) (5) để tính góc  khơng xác Vì vậy, cần phải xác định 1 2 biểu thức (6) (7) xác định góc  đơn trị Có nghĩa phải tìm tham số đơn trị n1 n2 biểu thức (6) (7) Biến đổi biểu thức (6) (7) nhận phương trình sau: d d n −d n 2 = 1 + 1 2 (8) d1 d1 Nếu chọn tỉ lệ d2/d1 = N/M, với M < N M, N số tự nhiên, phương trình (8) trở thành: Nn − Mn2 N 2 = 1 + 2 (9) M M Dễ dàng nhận thấy biểu thức (9) hàm bậc biến số 1 hàm số 2 với tham số N/M 2(Nn1-Mn2)/M Trong đó, tham số N/M cố định thể độ dốc, 2(Nn1-Mn2)/M tham số thay đổi tạo đường thẳng song song với đường thẳng qua gốc tọa độ Đường thẳng công thức (9) qua gốc tọa độ Nn1 - Mn2 = Khi góc  thay đổi từ -90o đến +90o vẽ tập hợp đường thẳng song song với bị giới hạn giá trị biên -  (hay -180o 180o) Tập hợp đường thẳng song song gọi mặt phẳng pha, biển diễn Hình mạng anten cấu hình với d1 = 5/2 d2 = 8/2 Các điểm nằm đường thẳng pha (màu xanh) giá trị lý tưởng (khơng có tác động nhiễu) Tuy nhiên, thực tế có tác động nhiễu mà điểm pha bị lệch khỏi đường thẳng pha giá trị minh họa điểm chấm màu da cam Hình Bằng cách tìm đường thẳng pha gần với PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT Mơ hình mạng chấn tử anten trinh sát điện tử dùng để xác định hướng đến tín hiệu dựa vào đo độ lệch pha minh họa Hình Hình Mơ hình đo góc sử dụng phương pháp đo pha Giả thiết nguồn phát xạ cự ly xa truyền tín hiệu vơ tuyến với bước sóng  đến mạng anten góc , tín hiệu thu mạng anten là:    x1 (t )   2 d1 sin    n1 (t )    x (t )  =  e − j      s (t ) +  n2 (t )     (3)  x3 (t )   − j 2 d sin    n3 (t )  e      x(t ) = a( )  s(t ) + n(t ) ISBN 978-604-80-5958-3  Hình Mối liên hệ góc đến tín hiệu với giá trị đo lệch pha d = 5/2 II 2 d1 sin  Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thông tin (REV-ECIT2021) điểm đo pha xác định hệ số pha đơn trị Mặt phẳng pha mạng anten cụ thể có tính chất sau Các đường thẳng pha cách khoảng: 360 (10) V= M + N2 Góc tạo đường thẳng pha với trục đứng là: M (11)  = arctan( ) N hóa theo phương ngang thành tọa độ số nguyên (Hình 4c) Phép chuẩn hóa theo phương ngang thực công thức sau:  ˆ1n   1n  (14)  = V  ˆ  2 n      n  - Bước 3: Điểm pha đo thực tế lúc số nguyên ảnh hưởng nhiễu Để tìm đường thẳng gần với điểm pha đo thực tế, cần thực phép tốn làm trịn số ngun tọa độ ngang ˆ1n điểm pha đo thực tế Sau làm tròn, điểm pha đo thực nằm đường thẳng gần Phép tốn làm trịn thành số ngun xác định sau:  = nint ˆ (15) ( 1nr 1n ) - Bước 4: Xác định nhãn đường thẳng, cần tìm thứ tự nhãn vector C sau:   M + N −1  (16) nˆ2 = C  1nr +   + 1     đó, 1nr tọa độ ngang điểm pha đo thực tế sau làm trịn bước Cuối cùng, góc tới tín hiệu xác định sau: (2 + nˆ2 2 )  = arcsin( ) (17) 2 d Sai số quân phương xác định góc giảm N lần so với công thức (2):  (18)  = = 2 d cos  SNR  N cos  SNR Hình Mơ hình đo góc sử dụng phương pháp đo pha mặt phẳng pha mạng anten có cấu hình d1 = 5/2 d2 = 8/2 Khi góc  chạy từ 0o đến +90o, đường thẳng pha gốc tọa độ O(0, 0) tăng dần hai giá trị 2 đạt +180o Đường thẳng tương ứng với n2 = 0, gán nhãn Sau đó, đường thẳng pha bắt đầu đường với nhãn n2 = Cứ tiếp tục hết đường thẳng có nhãn n2 = Ở chiều ngược lại,  chạy từ 0o đến -90o, đường thẳng tương ứng gán nhãn theo chiều âm hình thành Như vậy, toàn đường thẳng pha gán nhãn tương ứng với giá trị hệ số n2 Các nhãn tạo thành vector đại diện cho cấu hình mạng anten tuyến tính cụ thể: C = [2, −1, −4,1, −2,3, 0, −3, 2, −1, 4,1, −2] (12) Dễ dàng nhận thấy vector đối xứng nghịch qua phần tử Để tìm nhãn đường thẳng pha gần với điểm pha đo thực tế, cần thực bước sau: - Bước 1: Xoay đường thẳng pha góc  cho chúng trở thành đường thẳng đứng (Hình 4b) Sau xoay đường thẳng thẳng đứng cách khoảng V Phép toán xoay mặt phẳng pha thực theo công thức sau:  1n  cos  − sin    1  (13)    =     n   sin  cos    2  III A KHÁI QUÁT VỀ PHƯƠNG PHÁP SODA VÀ CI 1) Phương pháp SODA SODA (Second Order Difference Array) [1] phương pháp sử dụng hiệu pha thứ cấp tương ứng với hiệu khoảng cách chấn tử để xác định góc tới tín hiệu đơn trị Bản chất phương pháp sau Xét mạng anten gồm hai đường sở d1 d2 với điều kiện d2 > d1 Khi đó, hiệu độ dài hai đường sở d = d2 – d1 Hiệu pha tương ứng với hiệu đường sở là: 2 d  sin  2 sin   =  − 1 = (d − d1 ) = ,(19) 2 đó, 1 2 hiệu pha đo hai đường sở d1 d2 Từ cơng thức (19), xác định góc  sau:       2 d    = arcsin  - Bước 2: Bằng cách chia giá trị lệch pha theo tọa độ ngang 1n cho V, mặt phẳng pha chuẩn ISBN 978-604-80-5958-3 MÔ PHỎNG ĐÁNH GIÁ VÀ SO SÁNH VỚI PHƯƠNG PHÁP SODA VÀ CI (20) Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Cơng nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021) Hình Các bước tìm nhãn đường thẳng pha gần với điểm pha đo thực tế Góc  đơn trị thỏa mãn điều khiện d ≤ /2 lớn mạng anten vừa không chịu ảnh hưởng việc chia độ phân giải góc LUT 2) Phương pháp CI CI (Correlative interferometer) [2] phương pháp tìm góc tới đơn trị cách tìm khoảng cách nhỏ điểm pha đo so với điểm pha tham chiếu bảng tìm kiếm (LUT) Phương pháp yêu cầu nhiều so sánh pha để đo độ lệch pha anten với 3) Kết so sánh đánh giá Kết so sánh phương pháp mặt phẳng pha đề xuất với phương SODA CI hiển thị Hình Có thể thấy rằng, phương pháp đề xuất nhóm nghiên cứu cho độ xác cao hai phương pháp SODA CI Phương pháp SODA sử dụng đường sở thứ cấp d độ lệch pha thứ cấp làm tăng giá trị nhiễu nên dẫn đến độ xác thấp Phương pháp CI cho kết tương đương phương pháp đề xuất SNR < -5 dB, nhiên sai số xác định góc lại khơng giảm SNR > dB Đây nhược điểm phương pháp CI phải sử dụng LUT với độ phân giải thấp Nếu muốn tăng độ xác phương pháp CI phải tăng độ phân giải LUT, nhiên đổi lại thời gian xử lý thuật toán lại chậm Phương pháp đề xuất báo vừa tận dụng độ ISBN 978-604-80-5958-3 Hình So sánh độ xác phương pháp ước lượng hướng đến tín hiệu IV KẾT LUẬN Như vậy, báo đề xuất thuật toán sử dụng phép tốn xoay, chuẩn hóa làm trịn để xác định hệ số độ lệch pha đơn trị, từ xác định góc Hội nghị Quốc gia lần thứ 24 Điện tử, Truyền thông Công nghệ Thơng tin (REV-ECIT2021) tín hiệu đến Thuật tốn đề xuất phân tích lý thuyết, đánh giá so sánh với với hai thuật toán khác mơ Kết mơ cho thấy, thuật tốn mà chúng tơi đề xuất cho độ xác ước lượng góc đến tín hiệu tương đơi cao (RMSE < 0.1o SNR ≥ dB) có hiệu vượt trội hai thuật toán SODA CI Tuy nhiên, giải pháp mà nhóm tác giả đưa giải trường hợp nguồn tín hiệu đến mà chưa xem xét đến trường hợp nhiều nguồn đến lúc Vì vậy, tương lai nhóm nghiên cứu tiếp tục xem xét giải vấn đề nhiều tín hiệu đến sử dụng thuật tốn đề xuất này, đồng thời tiến hành đo thực nghiệm để kiểm chứng tính hiệu khả thi áp dụng vào thực tiễn [3] [4] [5] [6] [7] TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] [2] S Searle, "An Examination of Bias in SODA Interferometry," in IEEE Signal Processing Letters, vol 24, no 4, pp 470-474, April 2017 S P Mohammad, F Farzaneh, “Precision of direction of arrival (DOA) estimation using novel three-dimensional array ISBN 978-604-80-5958-3 10 geometries,” in AEU - International Journal of Electronics and Communications, vol 75, pp 35-45, May 2017 R Schmidt, "Multiple emitter location and signal parameter estimation," in IEEE Transactions on Antennas and Propagation, vol 34, no 3, pp 276-280, March 1986 M Wagner, Y Park and P Gerstoft, "Gridless DOA Estimation and Root-MUSIC for Non-Uniform Arrays," in IEEE Transactions on Signal Processing, doi: 10.1109/TSP.2021.3068353 R Roy, A Paulraj and T Kailath, "Direction-of-arrival estimation by subspace rotation methods - ESPRIT," in ICASSP '86 IEEE International Conference on Acoustics, Speech, and Signal Processing, Tokyo, Japan, 1986, pp 24952498 K Maheswara Reddy and V U Reddy, "Analysis of spatial smoothing with uniform circular arrays," in IEEE Transactions on Signal Processing, vol 47, no 6, pp 1726-1730, June 1999 A E Ertan and M Ali, "Spatial and Temporal Smoothing for Covariance Estimation in Super-Resolution Angle Estimation in Automotive Radars," in ICASSP 2020 - 2020 IEEE International Conference on Acoustics, Speech and Signal Processing (ICASSP), Barcelona, Spain, 2020, pp 8629-8633  ... Hình Bằng cách tìm đường thẳng pha gần với PHƯƠNG PHÁP ĐỀ XUẤT Mơ hình mạng chấn tử anten trinh sát điện tử dùng để xác định hướng đến tín hiệu dựa vào đo độ lệch pha minh họa Hình Hình Mơ hình đo. .. VỀ PHƯƠNG PHÁP SODA VÀ CI 1) Phương pháp SODA SODA (Second Order Difference Array) [1] phương pháp sử dụng hiệu pha thứ cấp tương ứng với hiệu khoảng cách chấn tử để xác định góc tới tín hiệu. .. đơn trị Bản chất phương pháp sau Xét mạng anten gồm hai đường sở d1 d2 với điều kiện d2 > d1 Khi đó, hiệu độ dài hai đường sở d = d2 – d1 Hiệu pha tương ứng với hiệu đường sở là: 2 d  sin